中国高面板堆石坝安全监测关键技术进展与展望

邹青（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650051）



中国高面板堆石坝安全监测关键技术进展与展望

邹青
（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650051）

摘要：通过收集整理国内具有代表性的高面板堆石坝关键监测技术及应用情况，对国内200 m级高面板堆石坝安全监测技术进行深入调查，总结高堆石坝安全监测技术特点、难点，对主要监测措施的有效性和存在的问题进行分析，积累相关经验，为拟建300 m级高面板堆石坝安全监测技术的提升和改进提供解决思路和方向。

关键词：高面板堆石坝；安全监测；关键技术；进展与展望

0　引言

自20世纪90年代以来，以天生桥一级（坝高178 m）、洪家渡（坝高179.5 m）、三板溪（坝高185.5 m）和水布垭（坝高233 m）水电站等为代表的一批典型面板堆石坝工程相继建成，将面板堆石坝筑坝高度由100 m级提升至200 m级，中国面板堆石坝设计理论及施工技术达到国际先进水平。但随着面板堆石坝筑坝技术由200 m级向300 m级迈进，面板堆石坝监测技术明显滞后于筑坝技术的发展，不少监测仪器的适应性、耐久性、抗冲击等性能仍停留在100～200 m级坝高时的水平。

目前中国已建成和在建的坝高超过100 m的混凝土面板堆石坝有近40座，其中已建成的天生桥一级、洪家渡、三板溪和水布垭坝均为世界级的高面板堆石坝，尤其是水布垭和洪家渡面板堆石坝被国际大坝委员会评为里程碑工程。这些高面板堆石坝的安全监测设计、施工及运行既有共性，也有各自的特点。通过对国内200 m级高面板堆石坝安全监测技术进行深入调查，总结高堆石坝安全监测技术特点、难点，对主要监测措施的有效性和存在的问题进行分析，为300 m级高面板堆石坝安全监测技术研究提供技术支撑。

1　高面板堆石坝安全监测技术的发展及现状

面板堆石坝的监测项目一般有坝表面和坝体内部变形及面板挠度和脱空，坝身、坝基及绕坝渗流，堆石体应力及面板应力应变和温度，环境量和强震等。其中表面变形监测主要采用位移标点进行，内部主要采用水平垂直位移计和电磁式沉降仪等，部分进行了纵向变形监测。渗流监测主要采用渗压计、水位监测孔和量水堰等，有的工程渗流量采取分区监测，有的采用光纤传感器监测。环境量和强震监测项目与其他工程监测相差不大。

自20世纪80年代引进面板堆石坝技术以来，中国十分重视面板堆石坝安全监测工作，在“六五”至“九五”科技攻关期间都将高面板堆石坝安全监测列为国家科技攻关项目。有关科研单位先开发研制了满足100 m级高面板堆石坝原型监测所需的仪器设备，随后又研发了200 m级高面板堆石坝安全监测所需的大量程、高精度监测仪器，具有代表性的主要有：由水管式沉降仪和引张线式水平位移计组成的水平垂直位移计，以满足天生桥一级面板堆石坝监测碾压堆石体内部变形的需要；伺服加速度活动式测斜仪和斜面测斜仪，分别满足高面板堆石坝坝体内部水平位移监测和高面板堆石坝面板挠度监测的需要；高精度、小直径压阻式和钢弦式孔隙水压力计，可以直接放置在测压管中，满足已建面板堆石坝原型监测设施更新改造的需要。特别是在“九五”国家科技攻关项目研究中，研制出遥控遥测水平垂直位移计和高精度双向固定测斜仪，满足了坝高233 m的水布垭面板堆石坝及洪家渡、吉林台、公伯峡、紫坪铺等200 m级面板堆石坝工程坝体内部变形和面板挠度监测的需要，这两类仪器设备的技术性能达到了国际领先水平。经过30多年的科技攻关，中国面板堆石坝安全监测已经形成了可以观测200 m级高面板堆石坝的坝体和坝基变形、应力和渗流，面板应力、应变和挠度，周边缝与垂直缝变形等项目的一整套安全监测技术。

进入20世纪90年代后，中国开始重视面板堆石坝安全监测自动化，相关科研单位开发了分布式面板堆石坝安全监测数据采集系统，在采用计算机网络技术、通讯技术的基础上，实现数据自动采集、数字量传输和资料整理的自动化。目前，国内很多水电工程都实现了监测自动化。

调查发现，随着筑坝高度的不断增加，已有多座200 m级高面板堆石坝的水平垂直位移计长度超过400 m后，出现位移计失效问题而不能满足监测要求；水库蓄水后，存在上游水下面板表面位移点不能监测等问题。针对超高混凝土面板堆石坝，需从传统监测技术的适用性、监测新技术的研制和开发等方面进行系统的研究。因此需尽快研发大尺度水平垂直位移监测设施，其适应变形的能力和技术可靠性需进一步提高并找出解决方案。深厚覆盖层上面板堆石坝渗流量的监测方法和设施也需进一步摸索和发展。监测自动化也要适应高面板堆石坝的建设而快速发展。

2　面板堆石坝主要监测项目及监测手段

根据DL/T 5259-2010《土石坝安全监测技术规范》的要求，面板堆石坝主要监测项目包括变形、渗流、应力等。在合适的典型监测断面上，变形、渗流、应力等监测项目和测点宜结合布置，互相校验。典型横向监测断面宜选在最大坝高、地基突变、地质条件复杂等部位，一般不宜少于3个。纵断面一般不少于4个，通常在坝顶的上下游侧布设1～2个断面，下游坝坡1/2坝高以上布设1～3个断面，以下布设1～2个断面。在每个观测横断面和纵断面交点处布设表面变形观测点。典型纵向监测断面可由横向监测断面上的测点构成，必要时可根据坝体结构、地形地质情况增设纵向监测断面。

面板堆石坝由面板-趾板-接缝止水组成的防渗体系和堆石坝体两部分构成，面板和堆石坝体是两个材料不同、刚度与质量相差悬殊的结构物，因此面板与堆石坝体的变形协调及其相互作用是影响面板工作性状的关键。此外，面板堆石坝的渗流控制极为重要，需要重点监测有无发生通过面板裂缝或因面板破碎、接缝张开或损坏引起的严重渗漏，以及渗流对坝体材料的冲蚀。所以混凝土面板堆石坝安全监测的重点是坝体变形、接缝位移、面板变形和应力以及渗透压力和渗流量。

面板堆石坝最主要的监测项目是变形与渗流，其中内部变形监测是面板堆石坝安全监测的关键项目之一，大坝施工期能采集到有效沉降数据，对控制筑坝速度、保证施工质量、合理调配施工机械等具有指导性的作用；运行期如果大坝沉降过大，就有可能发生裂缝和滑坡破坏。沉降变形是反映堆石坝工作性态是否正常的最主要监测项目之一。以往工程实践及研究表明，在高水头作用下，面板周边缝将产生复杂的三向位移，使周边缝成为漏水通道。一旦止水结构被破坏，面板堆石坝将会在高水头作用下沿周边缝漏水，造成严重的渗漏问题，继而引发堆石体不均匀沉降、坝体局部或大面积失稳，甚至引起渗透破坏。因此，为了保证大坝的安全运行，需要对面板堆石坝内部变形及渗流进行全面的监测，掌握坝体、周边缝等在各阶段的工作状态，为大坝安全评估及预报提供可靠的监测资料。面板堆石坝主要监测项目及监测手段见表1。

从天生桥一级、洪家渡、水布垭等工程的实际监测情况看，目前的监测手段基本能满足200 m级面板堆石坝的监测要求，达到指导筑坝施工和设计反馈的目的。

表1　面板堆石坝主要监测项目及其监测手段Table 1 Main monitoring items and instruments for face slab rockfill dam

3　已建典型面板堆石坝的监测关键技术及应用

3.1变形监测关键技术应用

3.1.1外部变形监测技术

面板堆石坝变形监测主要包括外部变形、内部变形和接缝变形等。外部变形监测手段已较成熟，一般采用在大坝表面布置变形监测点，采用视准线法、边角网法，通过测量仪器进行监测。

面板堆石坝外部变形观测的测量仪器主要采用光学水准仪和经纬仪，随着科学技术的进步，外部变形监测仪器在测量精度、方便适用、自动化等方面都有了持续的改进。如高精度的水准仪和全站仪，以及有“测量机器人”之称的全自动全站仪；GNSS系统虽测量精度相对较低，但对测点与基点间无通视要求，可以用于变形量较大的高面板堆石坝的观测；光纤陀螺仪等适合全天候自动监测的新型仪器设备也在研究和应用中。

GNSS系统测量在国际上尚属于前沿课题，具有速度快、自动化、全天候以及测点之间无需通视等优点，我国已做了一些探索性的研究工作。随着接收机硬件性能和软件处理技术的提高，近年来GNSS定位技术已在大坝测量、地壳变形监测、精密工程测量等领域得到了应用。据统计，采用性能优良的接收机和较好的数据处理软件，平差后点位的平面位置精度为1～2 mm，高程精度为2～3 mm。影响GPS定位精度的因素有很多，还应针对具体内容采取相应的措施，减小误差，进一步提高精度。目前GPS一机多线技术也得到迅速发展，可大大降低成本。

自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORT⁃HILL等人成功研制第1个光纤陀螺（fiber-optic gy⁃roscope，FOG）以来，光纤陀螺已经发展了近40年。采用光纤陀螺仪监测高坝面板挠度，解决了传统测斜仪监测高坝面板挠度变形精度较低的问题。光纤陀螺仪是当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化，利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，能够精确地确定运动物体的方位。光纤陀螺仪为全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大、瞬时启动，具有结构简单、尺寸小、重量轻、成本低等特点。

3.1.2内部变形监测技术

面板堆石坝内部变形监测包括分层垂直位移、分层水平位移监测等，主要采用水管式沉降仪和引张线式水平位移计观测。

水管式沉降仪适用于长期观测面板堆石坝、土堤、边坡等土体内部的沉降，是了解被测物体稳定性的有效监测设备。水管式沉降仪的测量原理简单，测量结果直观。水管式沉降仪由沉降测头、管路、测量柜等组成。

引张线式水平位移计适用于长期观测面板堆石坝堆石体内部的位移。引张线式水平位移计可单独安装，也可与水管式沉降仪一起安装并进行观测。引张线式水平位移计的监测原理简单，测值直观可靠。仪器主要由锚固板、铟合金钢丝、保护钢管、伸缩接头、测量架、配重机构、读数游标卡尺等组成。

3.1.3国内高面板堆石坝内部变形监测技术应用情况

中国已建成的200 m级面板堆石坝坝体内部监测仪布置大多采用三个监测断面，监测高程设置间距在40 m左右一层，每层测点间距大多在40～50 m之间。国内部分典型高面板堆石坝内部变形监测设施布置统计情况见表2。从多年的监测成果看，面板堆石坝内部监测仪器的运行情况总体较好，测值基本能反映各部位堆石体的实际变形情况。

3.2渗流监测技术应用

堆石坝的渗漏比较复杂，一般通过坝体和坝基渗漏。坝体渗漏包括周边缝、垂直缝、面板混凝土裂缝渗漏等，坝基渗漏包括帷幕或防渗墙的基础渗漏。在面板堆石坝工程中，监测渗漏水的来源对评价大坝运行状况具有特别重要的作用。渗流监测主要包括坝体及坝基渗流、绕坝渗流和渗流量等内容。

常规的渗流监测技术比较成熟，坝体坝基渗流一般采用渗压计观测，绕坝渗流采用地下水位孔观测，渗流量采用量水堰观测。已建的高面板堆石坝多监测坝后渗流总量，在大坝下游坡脚设置截水墙或防渗墙，在截水墙或防渗墙顶布置量水堰。对设置截水墙或防渗墙监测总渗流量有困难，或深覆盖层地基的面板堆石坝，可通过在岸坡设置多条小型的截水沟，测得不同高程分区的渗流量，从而了解堆石坝的渗流情况，应用实例如下。

3.2.1水布垭面板堆石坝

水布垭面板堆石坝采用准分布式光纤光栅监测系统对周边缝渗流进行持续监测，以期快速准确地探明渗漏所在位置，及时消除安全隐患。堆石坝光纤光栅监测系统布置示意图见图1。

图1　光纤光栅监测系统布置示意图Fig.1 Distribution of Fiber Bragg Grating monitoring system

水布垭面板堆石坝光纤光栅渗流监测系统由光纤光栅温度传感器、信号处理器、辅助电缆加热系统等组成。系统在大坝中的布置见图2。水布垭面板堆石坝周边缝防渗监测范围达1 200 m，分布式光纤光栅测温系统沿周边缝每100 m一段，每段构成一个测量单元，共划分10个测量单元，每个单元内放置50～80个光纤光栅测温传感器，间距1.5～3 m，共设618个传感器。由于水布垭面板堆石坝高233 m，水库深处水温较低，为能准确监测到较小流量的渗漏，系统配备了光缆加热装置。

表2　国内面板堆石坝内部变形监测设施布置情况表Table 2 Statistics of monitoring measures for inner deformation of domestic face slab rockfill dams

每个监测段的光纤光栅传感器相互串接，前后两端各用一根光缆引入控制室，一端接信号处理器，一端备用。即使传感器引线或者传输光缆发生意外损坏（如断裂），可改用备用端检测断点后面的探头信号，系统仍能正常工作。传感器的位置编号与大坝周边的位置坐标相对应输入计算机，一旦检测到渗漏信号即可显示渗漏位置。该方法的优点是可监测任意部位并同时监测很多部位，缺点是无法对渗流情况进行定量监测，只能确定渗漏部位。

图2　水布垭面板堆石坝光纤光栅监测系统布置图Fig.2 Distribution of Fiber Bragg Grating monitoring system at Shuibuya face slab rockfill dam

3.2.2洪家渡面板堆石坝

由于深厚覆盖层及高尾水变幅的工程难以设置量水堰，故宜采用分区的方法进行监测，即将面板及周边缝、两岸绕坝渗流等渗漏分区监测，洪家渡面板堆石坝的渗流就采用此方法进行监测。

在两岸坡设截水沟，将渗流量集中引入下游分量水堰，下游设总量水堰。截水沟盖板为带漏水通道的预制板，盖板与面板堆石坝间采用塑料盲沟材作反滤保护。滤材效果好、体积小、施工方便。洪家渡面板堆石坝分区截水墙和量水堰布置示意图见图3。

分区监测渗流量的优点为：一是准确可掌握各部位的渗流量，给监控大坝安全运行提供可靠的保障；二是在渗流量发生突变时，可确定发生渗漏的大致部位，缩小查找范围，避免盲目性；三是可分别检验左右岸防渗效果、周边缝的止水效果、混凝土面板的防渗状况效果。

对设置总量水堰有困难或深覆盖层地基的面板堆石坝工程，可通过设置截水沟分别准确观测两岸的渗流量，还可在岸坡设置多条小型的截水沟，获得不同高程分区的趾板渗透和岸坡绕渗的渗流量，可降低施工难度和工程造价。

3.3高面板堆石坝常规监测技术存在的问题

3.3.1坝体内部变形监测施工工艺

坝体内部变形监测仪器埋设部位高程沿线的土建施工工作量大，投入机械多，施工期较长，且坝体填筑施工干扰大。仪器安装埋设工艺要求较高，需对测头和管路进行有效保护，管路连接需牢固可靠。仪器安装埋设受坝体分区影响较大，不易获取全过程变形数据。为使监测资料连续，需设置临时观测房，引张线水平位移计的钢丝安装技术要求则更高。

3.3.2监测仪器自身存在的缺陷

图3　洪家渡面板堆石坝分区截水墙和量水堰布置示意图Fig.3 Distribution of cut-off wall and measuring weir of Hongjiadu face slab rockfill dam

引张线式水平位移计：由于面板堆石坝沉降呈中部沉降大、上下游侧沉降小的分布特征，引张线沿安装高程必然呈凹状分布，而沿程不均匀变形必然导致引张线线体回缩，导致产生测量误差，目前面板堆石坝均无法消除此误差，大坝变形越大，误差越大。对于300 m级高面板堆石坝，安装在底部的引张线水平位移计全长将超过900 m，引张线沿程阻力将大幅度增加，传统钢丝配套重锤重量必然成数倍增加，钢丝被拉断几率大大增加。

水管式沉降仪：由于面板堆石坝沉降的特点是坝体中部沉降大、上下游侧沉降小，位于面板下部沉降测点所引管线沿程也呈凹形分布，在沉降最大部位至观测房必然形成“倒坡”，管路中容易产生气泡，且长管线易造成回水困难，最终导致观测无法正常进行。目前水管式沉降仪所采用水管直径在10 mm左右，在长管线上液体的沿程阻力成倍增加，势必造成观测困难。如按照水管式沉降仪1%坡度的埋设要求，长管线对观测房的最低高度、管路沿程埋设开挖最大深度要求高，其施工干扰和埋设难度较高。另外，观测程序和维护措施复杂，要求观测人员具备较高的技术素质，若有不当，就会造成测量系统失常。

4　展望

4.1先进的表面变形监测技术应用

4.1.1GNSS监测系统

面板堆石坝传统的表面变形监测采用视准线法。视准线法观测和计算简便，但易受外界影响，当视线不长时，其观测精度较高，较为适用。

近半个世纪以来，随着卫星测量技术的发展，特别是全球导航卫星系统GNSS（Global Navigation Sat⁃ellite System）的成功建立和应用，测绘业经历了一场深刻的技术革命。现在卫星通信和全球卫星定位系统（GPS）已广泛应用于各个行业，随着GNSS定位精度的提高，GNSS技术已逐步应用于水电工程中，如隔河岩水电站重力拱坝、拉西瓦水电站坝肩边坡、小湾水电站拱坝、糯扎渡水电站心墙堆石坝及近坝库岸滑坡体等均采用GNSS技术进行变形监测。

与常规方法相比，GNSS监测系统具有的优势为：不受气候等外界条件影响，可全天候监测；所有变形监测点的观测时间同步，能客观反映某一时刻建筑物各监测点的变形状况；可同步测出监测点的水平位移和垂直位移；可实现全自动监测。

糯扎渡水电站为了实现大坝表面变形的自动化监测，大坝表面变形监测除采用GNSS监测系统外，还采用测量机器人进行对比监测，提高了监测精度和监测覆盖面。测量机器人观测站与变形监测网点结合布置在左右岸坡，基点采用控制网点和GNSS监测系统进行双重校核。观测点为视准线测点，在每个测点处布置一个360°棱镜和一根GPS天线，通过自动照准观测测点位移。测量机器人和GNSS监测系统测值可相互校核。

GNSS监测系统投入观测后，自动化监测数据与前期人工观测能够实现平顺衔接，监测数据真实可信，目前系统运行正常稳定。整个系统的观测精度基本能满足规范±3 mm的要求。

鉴于GNSS监测系统具备诸多的优点，且已在一些实际水电工程中得到成功应用，将来对于300 m级高面板堆石坝，在地形及卫星信号接收得到可靠保障的条件下，有可能大力推广使用。

4.1.2雷达干涉（INSAR）技术

合成孔径雷达干涉测量技术（INSAR，Interfero⁃metric Synthetic Aperture Radar，简称干涉雷达测量）是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测的新技术。

面板堆石坝在各个时期都不可避免会发生变形，当变形超过一定范围时就会影响堆石坝的正常使用，成为安全隐患。SAR干涉测量技术可以提供远距离、大范围的变形监测结果，有利于对坝体变形的性质、范围等进行准确判断。相对于传统的基于离散点的变形测量方式，SAR干涉测量技术可以实现大范围的连续覆盖，更有利于分析目标的区域变形分布情况和发展规律，同时非接触式的远程监测模式避免监测人员进入危险区域，可全天时全天候开展监测工作，不受天气、环境等因素影响。

4.2新型内部变形监测技术研发

4.2.1长距离新型水平位移计和沉降仪应用研究

堆石体内部长距离变形监测是面板堆石坝监测需要解决的主要难题之一，对于200 m级堆石坝，其监测管线长度在400～500 m之间，已是相关监测材料设备和施工工艺的极限，在实际使用过程中已出现过了诸多问题。而对300 m级面板堆石坝，1 000 m左右的管线长度应考虑采用新的方法才能满足工程监测需要。基于高面板堆石坝建设及安全性监测的需要，国内有关单位拟在深入研究高面板堆石坝的工作特性及运行机理的基础上，结合已开展的新传感产品──柔性固定式测斜仪研发工作，专门针对300 m级高坝开展长距离水平位移计和沉降仪相关的新型仪器设备应用研究。通过深入的研究和试验，可为300 m级高坝的内部变形监测提供有效的解决途径，填补高坝内部变形监测技术方面的空白，同时为类似工程的设计和施工提供具有借鉴意义的技术解决方案并研制出相应的监测仪器设备。

4.2.2堆石体内管道机器人监测系统的应用

管道机器人监测系统是一种“直接测量”的方法，其原理为：在坝体内部布设能够与坝体同步变形的专用监测管道，作为测量机器人的行进通道。将经过专门设计的变形测量机器人送入管道内，由其按设置的程序在管道内自动行进，并利用配备的各种监测仪器，自动检测管路沿程各测点垂直和水平方向的变形信息，同时将采集的所有数据传送给外部监控计算机；经对采集数据进行处理分析，可得出大坝内部各监测部位测点的变形值。管道测量机器人见图4。

图4　管道测量机器人Fig.4 Measurement robot

由于监测管路中没有设置“水管”和“引张线”，测量机器人可在管路中自由行进，可测量任意设定位置的变形情况，测点数量不受限制，故其也可称为“分布式”测量系统，可满足200～300 m级高面板堆石坝内部变形监测的需要。管道机器人监测系统与现有的“引张线式”和“水管式”监测方法相比，其设备简化、操作简单、成本低廉，一座大坝只需一台机器人设备就可以对所有管道进行监测。如推广该项技术成果，可以有效取代目前常用的测量方法，同时可提高测量精度和效率，也降低了成本，应用前景广大。

4.3渗流监测技术的改进

传统的渗流监测技术已较为成熟，使用效果较好，在300 m级面板堆石坝中使用不存在技术问题，应继续作为主要监测手段。近年来，光纤光栅传感器已得到了一定的应用，但在观测原理、仪器率定检测、施工工艺等方面仍有改进和提升的空间，可作为渗流监测的辅助手段。

4.4监测实时动态智能反馈与预测系统

经过多年的实践应用，大坝监测实时动态智能反馈与预测系统研究已取得了较丰富的成果，目前正在开展高面板堆石坝监测实时动态智能反馈与预测系统的研究。研究的主要目的和内容为基于已有科研成果及现场监测资料，提出蓄水期、运行期的安全评价指标；对监测数据进行综合分析及合理评价，考虑时空效应结合多尺度有限元计算进行反演分析，获得大坝材料的合理参数，对大坝进行安全评价，并预测大坝在不同工况下的运行性态及安全裕度；根据监测资料分析成果修正完善不同时期各级警戒值和安全评价指标，提出相应的应急预案与措施，同时为提高大坝安全监测的管理水平提供技术支撑。

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作者邮箱：1009022968@qq.com

Title:Progress and prospect of key technologies in safety monitoring of high face slab rockfill dams in China//by ZOU Qing//PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited

Abstract:Referring to the key monitoring technologies in safety monitoring of high face slab rockfill dams in China and abroad as well as their application，the safety monitoring technologies used on domes⁃tic 200 m high face slab rockfill dams are studied.The technical characteristics and difficulties are sum⁃marized，the monitoring efficiency and existing problems are analyzed and engineering experience is ac⁃cumulated，which lays a foundation for the improvement of safety monitoring technologies for 300 m high face slab rockfill dams.

Key words:high face slab rockfill dam；safety monitoring；key technology；progress and prospect

中图分类号：TV697.1

文献标志码：A

文章编号：1671-1092（2016）01-0050-07

收稿日期：2015-10-18

作者简介：邹 青（1969-），男，高级工程师，主要从事水电工程安全监测设计与技术管理工作。